结构模型设计之我见

彭永陈艳

1、中南大学土木建筑学院 长沙 410075; 2、中南大学资源与安全学院 长沙 410000

结构模型设计之我见

彭永1陈艳2

1、中南大学土木建筑学院 长沙 410075; 2、中南大学资源与安全学院 长沙 410000

主要阐述了结构模型设计的主要三个步骤，指明结构模型设计的主要注意事项。

结构模型设计大赛面向土木建筑类大学本科学生，是一项将课堂理论与实际工程紧密结合的竞赛，目前全国性大学生结构设计竞赛已被教育部列为大学生9项科技竞赛之一，它旨在通过学生对所学知识的综合运用，以提高同学的动手能力与思维能力，突出创新精神，加强队员间的合作与交流，丰富同学的课余生活，是一项极富科学性、创造性与挑战性的学科竞赛。为贯彻实施土木建筑类大学生创新训练计划，培养大学生创新意识、实践能力，提高土木工程专业教学质量，全国各大高校纷纷举办各级别的结构模型设计大赛。

结构模型设计大赛主要分为三步：理论分析；模型制作；模型加载。下面我以湖南省第四届土木建筑类大学生结构模型创作竞赛为例，简要介绍结构模型设计的过程。

1 理论分析

结构模型设计的最佳状态是在用料最少的情况下，承重最大。但这两点不能兼得。所以要通过理论分析来确定模型的形式。事实上，理论计算包括的范围很广，材料的性质分析、构思结构形式、内力分析、稳定性分析、变形分析、方案优化比选等几个方面。做好理论计算要统筹兼顾做好每一个面，才能科学合理的做好结构模型设计。湖南省第四届土木建筑类大学生结构模型创作竞赛的材料有木条、木板、蜡线、502胶。首先了解材料的主要力学性质，比如弹性模量，抗拉强度，抗压强度等。对可能的荷载情况进行分析，根据已有的桥梁模型，构思几种结构形式。计算出在荷载作用下各结构形式是否满足强度、稳定性、变形的要求。反复多次计算。根据评分标准，分析比较得到最佳的结构形式。当然计算主要是通过计算机来实现，一般可用结构力学求解器来计算，结构力学求解器使用简单，几乎不需要学就能用。水平高的可用ansys等有限元软件来实现。

2 模型制作

模型制作是整个结构模型设计的关键。如果没有完美的制作工艺，再好的理论分析也是纸上谈兵。湖南省第四届土木建筑类大学生结构模型创作竞赛与以往不同，主要的承重材料由纸制的改为了木材，所以各构件的制作很容易，直接用502胶粘合即可。但模型制作中的节点处理极为困难。因为各种力汇总到节点，有时节点处的受力还很大，尤其是，受拉构件经常会在节点处脱落。所以节点制作一定要重点关注、仔细实施。节点制作大致有两种方法。方法一是用两块木板夹住节点，用打孔机钻孔，插入木条做的销钉（如图一所示）。方法二是不打孔，直接用502胶粘合。两种方法各有利弊。方法一制作工艺复杂，需要时间长，还需要买钻孔机，但方法一承重大，一般不会因节点破坏而使模型破坏。方法二制作工艺简单，用时短，但加载时可能会因为节点破坏而导致整个模型倒塌。制作是需根据荷载的大小、制作允许的时间、502胶质量的好坏来选择用何种方法来处理节点。

图一 节点处理

3 模型加载

模型加载的环节常常被参赛者忽略。但模型加载成绩的好坏直接影响到整个比赛的结果，加载成绩在总成绩中所占得比重是最大的，所以我们对加载一定要予以足够的重视，注意细节，细节决定一切。

湖南省第四届土木建筑类大学生结构模型创作竞赛的模型加载分为静荷载与动荷载两部分。我们把加载工作简单地分为几个步骤：

3.1 加载前准备阶段

1、根据理论计算以及结构的具体的情况拟定加载方案，由于模型的承载能力与荷载的作用时间有直接关系。加载所经过的时间越长，模型越容易破坏。加载方案可能会影响最终的比赛成绩，所以应该合理确定加载方案。2、熟悉加载过程，避免正式加载手忙脚乱

3.2 加载期间的注意事项

1、加砝码时要轻拿轻放，弱小的参赛者最好不要参与加载；2)、安装加载装置时应留出尽量多的空间来放砝码，以免出现无处放砝码，模型“有力使不出”的情况。3)、注意观察在加载之前各个对手的加载成绩，临场制定自己的加载目标，以达到预期的名次。

[1]朱江南，解建超.浅谈结构模型设计[J].现代科技.2009(9)

[2]徐萌.在结构模型大赛中锤炼大学生的综合能力.山西建筑.2010(26)

[3]金伟良.2005年第一届全国大学生结构设计竞赛作品选编[M].北京：中国建筑工业出版社.2006

TU318.2

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.057

4 结语

彭永，男，中南大学土木建筑学院，土木工程专业，主要从事固体力学的研究。

结构模型；节点处理；施工工艺

我国大学生结构设计大赛至今已16个年头，积累了很多经验，受到了越来越多高校的关注，也吸引了众多学生的参与，结构模型设计理论与制作工艺也逐渐在走向成熟。结构模型设计将向程序化、模式化方向发展。